수소 파이프라인 강재 기술개발 동향

★ European Hydrogen Backbone 프로젝트를 통해 기존에 사용된 파이프라인 네트워크 기반으로 수소 인프라 확장을 위해 대규모 투자가 이루어지고 있으며, 2040년까지 약 40,000km의 수소 파이프라인 구축을 통해 전 유럽에서 수소 운송이 가능하도록 프로젝트를 진행 중임(그림 3)

★ 수소 대량 운송을 위한 국가 및 지역 간 수소 파이프라인 구축 등 다양한 글로벌 연관사업 기회가 지속 증대되고 있으며, 현재에도 다양한 사업들이 발표, 진행 중임(그림 4)

3. 국내·외 기술개발 동향

★ 수소 운송용 파이프라인은 운송 중 수소가 파이프라인에 침투하여 물성이 변화되고 내구성이 저하되는 수소취성 발생 가능

- 수소 환경 하 노치 인장 강도는 강재의 대기 중 인장 강도가 1.0GPa 부근 초과 시 급격히 저하되는 경향을 보이기 때문에, 고압수소용 강재 現수준은 수소취성 문제로 인장강도 1.0GPa 미만에 한정되어 있음

- 순수 수소(pure hydrogen) 운송을 위해 기존 천연가스(LNG) 파이프라인 사용에 제한이 있으며, 국가마다 파이프라인의 배관 두께, 수소 압력 등 규격 및 사용하는 소재가 다른 문제가 있음(그림 5)

★ 수소 파이프라인 소재는 압력과 사용 용도에 따라 다양하게 사용되며, 대부분 Carbon steel(ASTM A106, X42~52)이 사용됨. 또한 고압력 하에서 Micro alloy steel(API X52~) 사용 중(그림 6)

★ 금속 소재로는 부식환경에 따라 Stainless steel, 사용 온도에 따라 Cu&Cobalt alloy 등이 사용되며, 비금속 소재로는 Plastic 및 Elastomer 등이 사용 중

국외 기술개발 동향

★ 미국은 셰일혁명을 바탕으로 한 천연가스 개질 및 신재생에너지로부터 생산된 수소 활용을 위한 수소환경 인프라를 구축 중임

- 미국에서 수소 파이프라인 사용 소재는 API(American pipeline institute) X42, X50, X60 seamless pipeline을 주로 사용하며, 항복강도 약 290 MPa 이상 및 총 연신율 15 % 이상의 물성을 가지는 강재 사용

- 캐나다는 주로 API X42 강재를 주로 사용하고 있음

★ 유럽의 경우 풍부한 신재생에너지의 잉여전력을 이용해 수소를 생산하고 기존의 가스 그리드를 통해 수소를 운송하기 위한 정책을 강화

- 독일의 경우 탄소함량이 0.16 wt%가 함유된 SAE1016강을 사용하고 있으며, 항복 강도는 350 MPa로 미국, 캐나다에서 사용중인 X42 소재보다 높은 강도를 가지는 소재를 사용

- 유럽의 경우 수소를 메탄화 방식을 이용해 기존의 천연가스 파이프라인으로 수송하는 Power to Gas(P2G) 프로젝트가 진행 중

- 독일은 북부의 풍력발전에서 생산된 전력을 공업지대인 남부지역으로 전송하려는 프로젝트를 추진 중이며, P2G 프로젝트의 절반 정도는 메탄화 방식을 이용한 수소 운송을 계획 중

★ 일본의 Nippon steel, 독일 MANNESMANN은 수소취성 저항성이 높은 소재를 개발하여 수소 운송용 파이프라인 생산 중임(그림 7)

국내 기술개발 동향

★ 우리나라는 2022년까지 수소 수요가 많은 도시에 민간 주도로 파이프라인을 구축하고 2025년 이후에는 수소 수입기지에 파이프라인을 구축해 인근에 대규모 수소를 공급할 수 있게 한다는 목표를 가지고 있음

- 장기적으로는 2030년 이후 수소 수요 증가에 대응해 전국을 연결하는 수소 주배관 건설이 목표

- 국내 수소 파이프라인은 6inch 배관을 이용하여 20bar 압력으로 운성 중에 있으며 미국과 동일한 100bar의 압력으로 향상시키는 것을 목표로 개발 중임

★ 한국표준과학연구원은 2009년 국내 최초로 수소전문 연구동을 개소한 이후 수소환경 하 다양한 역학시험 평가를 수행하고 있으며, 현재 수소융합복합스테이션 핵심 부품소재 신뢰성 확보를 위한 측정표준 기술 개발 수행 중

★ 2020년 소재부품 기술개발사업을 통해 ‘탄화수소 기반 에너지 수송저장용 철강 소재 및 부품 제조 기술개발’과 ‘수소자동차용 고강도 내취화 특성을 동시 구현을 위한 고엔트로피 소재 및 심리스 튜브 제조 기술’ 연구가 진행 중임

★ 2021년 소재부품 기술개발사업에서는 ‘극저온 및 HIC, SSCC 내부식 특성이 우수한 에너지 산업용 16인치 이상 강관 제조 기술’과 ‘수소사회대응 고압수소용 및 극저온 합금강 제조기술을 통한 부품화 기술 개발’ 연구가 진행 중임

4. 시사점 및 정책 제안

★ 수소 에너지 생산방식에 따라 석유화학 플랜트, 신재생 에너지 플랜트 및 원자력 플랜트 내 사용되는 수소 파이프라인 소재의 사용 환경에 따라 내열성, 내식성, 내수소취성 등의 다양한 요구 물성을 만족하는 철강 소재 개발이 필요

★ 수소차 충전용, 발전용 연료전지의 수소 공급 파이프라인 소재의 경우 316L 스테인리스강 대비 높은 강도와 내수소취화 특성을 갖는 오스테나이트계 철강 소재 개발이 필요

★ 현재 수소 생산지와 소비지를 연결하는 장거리용 대구경 파이프라인 소재의 경우 주로 100bar 이하의 저압력에서 수소를 수송하기 위한 X42~X60급의 일반 탄소강을 대부분 사용하고 있으며, 고농도 수소(순수 수소 포함)의 효율적인 고압 장거리 수송을 위해서는 내수소취화 특성을 갖는 X70급 이상의 고강도 수소 파이프라인 강재 개발 필요

★ 국가별로 수소 파이프라인의 배관 두께, 수소 압력 등의 규격과 사용 소재가 다르기 때문에 수소 농도 및 압력, 온도, 부식 환경 등의 사용 조건에 따라 파이프라인 소재의 화학조성, 강도, 연신율, 내수소취성, 충격 및 파괴 인성, 용접성 등에 대한 구체적인 평가 시험 가이드와 성능 기준에 대한 국제적인 규격 마련 및 검토가 필요

출처 : keit pd 이슈리포트

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